微生物混凝劑預處理廢紙造紙廢水實驗研究

曾建忠 胡 萃 李愛平 林俊岳 應少明

(1.井岡山大學生命科學學院,江西吉安,343009;2.吉安市環(huán)境監(jiān)測站,江西吉安,343009;3.井岡山大學化學化工學院,江西吉安,343009)

微生物混凝劑預處理廢紙造紙廢水實驗研究

曾建忠1胡 萃1李愛平2林俊岳3應少明3

(1.井岡山大學生命科學學院,江西吉安,343009;2.吉安市環(huán)境監(jiān)測站,江西吉安,343009;3.井岡山大學化學化工學院,江西吉安,343009)

廢紙造紙系統(tǒng)高度封閉時無機鹽的積累會引起造紙過程受阻和產(chǎn)品質量受損,在實驗室制備了一種高效微生物混凝劑 (MBF-6),并將其用于廢紙造紙廢水的處理。結果表明,在較寬 pH值范圍內,微生物混凝劑MBF-6對廢水有很好的處理效果。在常溫、pH值 7.0、MBF-6用量 25 mL/L的條件下,SS、CODCr的去除率分別為 95%、83%;溫度對 SS去除率的影響不大,但對 CODCr去除率的影響較大且低溫有利于提高 CODCr去除率;與傳統(tǒng)混凝劑 Al2(SO4)3和 FeCl3相比,微生物混凝劑MBF-6具有混凝沉降速度快且效果好的特點。

微生物混凝劑;混凝;廢紙造紙廢水

國內外已對廢紙造紙廢水的處理進行了深入研究。目前,主要處理方法有物理方法、混凝沉淀法、生化法、化學處理法等。實踐證明,用混凝沉淀法處理廢紙造紙廢水,其 SS去除率可達 85%～98%,色度去除率可達 90%以上,CODCr去除率可達 60%～80%[1]。由于處理后的水水質較好,可將其回用于洗漿和抄紙。

雖然采用混凝劑處理造紙廢水具有占地少、設備簡單、運行管理方便等特點,是廢水處理行之有效的方法。但傳統(tǒng)的低分子或高分子無機鹽混凝劑 (如鋁鹽、鐵鹽及聚鋁鹽、聚鐵鹽等)在分子形態(tài)、聚合度及相應的混凝-凝聚效果方面還存在不足之處[2]。另外,殘存的混凝劑其金屬離子在廢水回用時會干擾漂白,且無機物的積累會改變光反射,降低紙的不透明度和白度,將引起造紙過程受阻和產(chǎn)品質量受損,從而限制造紙工業(yè)節(jié)水及廢水零排放的長期穩(wěn)定運行[3]。這就促使了新型混凝劑的快速發(fā)展。

微生物混凝劑 (Bioflocculant或 M icrobial Flocculant)是利用生物技術,通過微生物發(fā)酵、分離提取而得到的具有生物分解性和安全性的新型、高效、廉價、無毒、無二次污染的水處理劑,可廣泛應用于給水處理和污水處理領域[4-6]。多年來,國內外對微生物混凝劑的利用給予了充分的關注,但大多數(shù)微生物混凝劑須與無機鹽助劑配合使用,因此,尋找一種無須無機鹽作為助凝劑的微生物混凝劑對廢紙造紙廢水零排放的長期穩(wěn)定運行顯得尤為重要。本實驗采用從氟苯尼考廢水中分離得到的米曲霉的發(fā)酵液為混凝劑 (暫命名為 MBF-6),并將其用于廢紙造紙綜合廢水的處理。探討了微生物混凝劑MBF-6對廢紙造紙綜合廢水的處理效果及與傳統(tǒng)混凝劑的對比。

1 微生物混凝劑M BF-6的制備

1.1 培養(yǎng)基的組成

蔗糖 10.0 g/L,FeSO4·7H2O 0.01 g/L,KNO30.1 g/L,MgSO4·7H2O 0.1 g/L,K2HPO40.5 g/L,pH值 7.2～7.4。

1.2 培養(yǎng)條件

將具有混凝活性的菌株接種到裝有75 mL培養(yǎng)基的 250 mL三角瓶中,在 30℃、180 r/min轉速攪拌下培養(yǎng) 72 h后,定量測定發(fā)酵液的混凝活性,制備出微生物混凝劑MBF-6。

1.3 產(chǎn)品性能

微生物混凝劑MBF-6為無色透明的液體,有效成分濃度為 0.2%,pH值 6～7,經(jīng)紫外、紅外檢測,發(fā)酵液主要成分是多糖,沒有蛋白質和核酸,用黏度法測得其相對平均分子質量為 20萬。在不添加無機鹽類助混凝劑條件下,該混凝劑對高嶺土的混凝效果按文獻[7]的方法進行測定,pH值為 4～9,溫度為4～60℃,混凝率為 99%,且有吸附脫色等功效。

2 微生物混凝劑M BF-6應用實驗

2.1 廢水水質

造紙綜合廢水水樣取自吉安市某廢紙造紙廠。該廠使用 70%的國廢、30%的美廢為原料造紙。廢水水質指標為:pH值 6.5～7.2,SS 945 mg/L,CODCr1420 mg/L,色度 1200倍 (稀釋倍數(shù)法)。

2.2 分析方法

CODCr、SS采用國家標準方法測定,混凝率的測定參照文獻 [7]的方法,但不加入無機鹽作為助凝劑。

2.3 混凝實驗

2.3.1 水力條件實驗

采用正交實驗法,以混凝率為實驗指標,選取混合攪拌轉速 (A)、混合攪拌時間 (B)、反應階段攪拌轉速 (C)、反應攪拌時間 (D)4個因素,考察其對混凝率的影響,正交實驗因素見表1。取 1000 mL,pH值為 7的廢水,微生物混凝劑 MBF-6加入量為25 mL,沉淀 10 min,進行實驗。

表1 正交實驗因素

2.3.2 混凝劑用量、溫度、pH值對混凝效果的影響

在幾個 1000 mL燒杯中分別加入造紙廢水 500 mL,再加入一定量的混凝劑,用攪拌機以 160 r/min的速度攪拌 3 min,使混凝劑充分分散在廢水中,隨后降低轉速至 40 r/min,并攪拌 4 min,靜止 10 min后取距液面 20 mm的上清液分析水質。低溫實驗(4℃)是將混凝劑和廢水放入冰箱,再在低溫恒溫槽中進行實驗,測定處理前后的 CODCr濃度。

3 結果與討論

3.1 水力條件對混凝效果的影響

水力條件是影響混凝劑使用成本的因素之一,根據(jù)混凝理論,攪拌可促進微粒間的碰撞,有利于絮體的形成,而過度攪拌則使絮體破碎,不利于絮凝。在混凝劑添加過程中,一般先用較快速度進行攪拌,使混凝劑與微粒能充分接觸。一旦混凝作用產(chǎn)生,攪拌速度就應該降低,避免破壞已形成的絮團。

正交實驗結果見表2,從表2可見,各因素對混凝率影響大小的順序為A>B>C>D。通過正交實驗確定的混凝反應的最佳水力條件:以 160 r/min的轉速攪拌 3.0 min,再以 40 r/min的轉速攪拌 4.0 min。

3.2 pH值對混凝效果的影響

微生物混凝劑MBF-6在一定 pH值范圍內表現(xiàn)出的良好混凝活性是由于在此 pH值范圍內,膠體顆粒的表面電荷有所降低,使得顆粒之間的相互斥力減弱,從而有利于混凝劑與顆粒之間的橋聯(lián)作用,促進架橋的形成和顆粒的沉淀[8]。另外,造紙廢水的 pH值波動很大,因此選擇微生物混凝劑MBF-6的適宜pH值范圍非常必要。在常溫及混凝劑用量 25 mL/L的條件下,用稀 H2SO4和 NaOH溶液調節(jié)廢水的 pH值,考察 pH值對混凝效果的影響,實驗結果見圖1。

表2 正交實驗結果

圖1 pH值對混凝效果的影響

圖1表明,在 pH值 5～8的范圍內,微生物混凝劑MBF-6具有很好的混凝除污效果。所形成的絮體加入尿素后,絮體變得松散,因此微生物混凝劑MBF-6的混凝作用主要是氫鍵,由于微生物混凝劑MBF-6是一種多糖,其多羥基性使得分子具有較強的親水性,易形成氫鍵,較大的分子質量使其分子在水中有較大的伸展度,因而較長的高分子鏈以吸附架橋為主要混凝方式。因此,微生物混凝劑MBF-6具有較好的混凝效果。最佳處理效果為:pH值 7.0時,SS的去除率為 95%,CODCr去除率為 83%。

3.3 混凝劑用量對混凝效果的影響

混凝劑的用量是影響使用成本的另一個重要因素。在常溫及 pH值 7.0條件下,改變微生物混凝劑MBF-6的用量處理實驗水樣,其用量與 SS、CODCr去除率的關系見圖2。由圖2可知,隨著微生物混凝劑MBF-6的加入,廢水中 SS、CODCr的去除率先逐漸增大,當微生物混凝劑MBF-6用量為 25 mL/L時,混凝效果最好,用量繼續(xù)增大時,混凝效果又變差。說明過高或過低混凝劑添加量對 SS、CODCr去除率均不利。在微生物混凝劑MBF-6添加量為 15～25 mL/L時,去除率保持較高的水平,但當微生物混凝劑MBF-6超過 25 mL/L時,去除率反而降低。這是因為附著于顆粒上的混凝劑的一部分伸展到整個溶液中,這些伸展的部分占據(jù)了相鄰顆粒的空結合位點,從而形成分散顆粒的架橋而致凝聚產(chǎn)生。高濃度混凝劑會導致膠體的重新穩(wěn)定,是因為顆粒表面飽和阻止了顆粒間最適的架橋效果,從而影響了去除率的發(fā)生[9]。

圖2 微生物混凝劑MBF-6用量對混凝效果的影響

3.4 溫度對混凝效果的影響

混凝處理溫度與混凝效果的關系見圖3。SS、CODCr去除率在 4℃時去除率最高,分別為 97%、94%;但隨著溫度的升高,SS的去除率變化不大,但 CODCr的去除率由 94%降至 76%左右。

圖3 溫度與 SS、CODCr去除率的關系

3.5 不同混凝劑混凝沉降性能比較

在最佳處理條件下,分別用微生物混凝劑MBF-6、Al2(SO4)3、FeCl3混凝劑處理實驗水樣,其中Al2(SO4)3在 pH值 7.0,140 r/min條件下投加,攪拌1 min,然后在 60 r/min條件下攪拌 20 min,攪拌停止后沉淀 30 min。FeCl3在 pH值 9.0,160 r/min的條件下投加,攪拌 1 min,然后在 80 r/min的條件下攪拌20 min,攪拌停止后沉淀 30 min。測定處理后廢水 SS、CODCr去除率,其結果見表3。

表3 不同混凝劑處理造紙綜合廢水的結果 %

在實驗中發(fā)現(xiàn),加入微生物混凝劑MBF-6的水樣所形成的絮體大而密實,沉降迅速 (如圖4所示);而加入 Al2(SO4)3和 FeCl3混凝劑的水樣所形成的絮體細小,沉降速度緩慢,這充分說明了微生物混凝劑MBF-6的混凝沉降性能最佳。

圖4 微生物混凝劑MBF-6混凝沉降性能

4 結 論

4.1 實驗室制備的微生物混凝劑MBF-6的使用范圍較寬,在 pH值 5～8范圍內均具有很好的混凝效果。常溫下,微生物混凝劑MBF-6的最佳混凝條件為:pH值 7.0,用量 25 mg/L,先以 160 r/min的轉速攪拌 3.0 min,再以 40 r/min的轉速攪拌 4.0 min。靜止沉降 10 min。在最佳混凝條件下,SS、CODCr的去除率分別為 95%、83%。

4.2 與傳統(tǒng)混凝劑 Al2(SO4)3和 FeCl3相比,MBF-6混凝劑具有優(yōu)良的混凝沉降性能,用其處理廢紙造紙綜合廢水的效果優(yōu)于傳統(tǒng)混凝劑。

4.3 微生物混凝劑MBF-6在 pH值 5～8,溫度為4℃時,SS、CODCr的去除率分別為 97%、94%,說明微生物混凝劑MBF-6可以在低溫時使用且低溫時對廢水混凝處理效果優(yōu)于高溫時的效果。

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The Pretreat ment ofWastewater from Waste Paper BasedM ill byM icrobial Flocculants

ZENG Jian-zhong1HU Cui1L IAi-ping2L IN Jun-yue3,＊Y ING Shao-ming3
(1.College of Life Science,Jinggangshan University,Ji'an,Jiangxi Province,343009;2.Ji'an EnvironmentalM onitoring Station,Ji'an,Jiangxi Province,343009;3.College of Chem istry and Chem ical Engineering,Jing g angshan University,Ji'an,Jiangxi Province,343009)

A new type of effective coagulantMicrobial Flocculants(MBF-6)was prepared fromaspergillus oryzaeand used as coagulant in the trea tment of paper makingwastewater.The experimental results showed thatMBF-6 has a good coagulation effect in the trea tment of aper makingwastewater in a wide range of pH value.The removal rates of SS and CODCris 95%,83%respectively in the condition where temperature is normal,pH value is7.0 and dosage of the coagulant is25 mL/L.The temperature has little impacton the removal rate of SS,but has impact on the removal rate ofCODCr.In comparisonwith the conventional coagulants such asAl2(SO4)3and FeCl3,the coagulation performance ofMBF-6 is the best.The remarkable characteristics of thismethod are higher settlement rate and without adding salts which can deteriorate the papermaking system when the salts are accumulated.

microbial flocculants;coagulation;wastewater from reproduced papermaking

X793

A

0254-508X(2010)03-0027-04

曾建忠先生,講師;主要從事環(huán)境微生物利用的研究工作。

2009-11-04(修改稿)

本課題為國家自然科學基金 (20867002)項目。

(＊E-mail:lin1972917@163.com)

(責任編輯:馬 忻)